I batteri nel fango attivo

I batteri presenti all’interno del fango attivo possono essere suddivisi in base alla loro funzioni metaboliche. Di seguito si riportano in Tab. 3.1 vari tipi di batteri presenti nel fango attivo che svolgono differenti funzioni nella degradazione del substrato suddivisibili in base al tipo di metabolismo, alla fonte di nutrizione, al tipo di accettore di elettroni ed alla forma di crescita.

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Tab. 3.1: Microrganismi presenti nei fanghi attivi suddivisi per gruppi metabolici.

Metabolismo Forma di carbonio richiesta Fonte energetica Accettore di elettroni Forma di crescita

Organotrofi Organico Ossidazione aerobica O2 Fiocco formatori; Filamentosi Anaerobici facoltativi Organico Fermentazion e Carbonio organico Fiocco formatori (?)

Denitrificanti Organico Ossidazione anossica

N-NO3 Fiocco formatori; Filamentosi (?)

Nitrificanti Inorganico Ossidazione aerobica di

N-NH0

O2 Attaccati ad altri batteri

Poli-P Organico PP e PHB O2 A gruppi;

Filamentosi (?)

Solfoossidatori Inorganico Ossidazione

aerobica O2 Fiocco formatori (?) Filamentosi;

Solforiduttori Organico Ossidazione anaerobica

41 3.3.1. Batteri organotrofi aerobi

I batteri orfanotrofi aerobi sono responsabili della completa rimozione della sostanza organica dall’acqua reflua. Hanno un apparato enzimatico che li rende capaci di utilizzare anche il substrato organico lentamente biodegradabile. I generi Baccillus, Pseudomonas, Micrococcus, Alcaligens, Moraxella, e Flavobacterium vengono descritti come capaci degradare il substrato organico lentamente biodegradabile particellato attraverso il loro sistema enzimatico (Tandoi et al., 2006) Accanto a questi batteri universali si possono concentrare dei batteri specializzati nella rimozione di uno specifico substrato attraverso un opportuno adattamento del fango attivo al determinato tipo di acqua reflua. Le condizioni di coltura rendono possibile il mantenimento dei batteri specializzati che spesso è funzione del tempo di ritenzione della biomassa negli impianti a fanghi attivi. Alcuni batteri specializzati sono: Proteus, specializzato nella rimozione del materiale proteico, e Achromobacter, specializzato nella rimozione di grassi. I batteri organotrofi sono presenti sia come fioccoformatori che come filamentosi. Zooglea (Sanin et al., 2009) è un tipico batterio fioccoformatore, mentre, alcuni organismi filamentosi si possono classificare come Actinomyces. Essi esibiscono caratteristiche metaboliche simile a quelle dei funghi: essi sono capaci di utilizzare il substrato lentamente biodegradabile ed i loro filamenti formano miceli. Tipici Actinomyces acquatici sono: Streptomyces, Micromonospora e Nocardia.

3.3.2. Batteri fermentativi

Il processo di conversione fermentativo dei composti organici in acidi grassi volatili (specialmente acido acetico) è estremamente importante nel processo di rimozione biologica del fosforo in eccesso (sistemi EPBR). In tal senso la letteratura considera un prerequisito essenziale per il successo del processo la presenza di Aeromonas punctata (Brodisch, 1985) e del genere Pasteurella (Jorgensen & Pauli, 1995) e Alcaligens (Bao et al., 2007). Gli altri microrganismi fermentativi che producono acidi grassi volatili ed alcoli a basso peso molecolare sono Acetobacter, Clostridium, micromiceti e batteri solforiduttori. Il processo fermentativo è anaerobico, avviene in assenza di ossigeno molecolare e nitrati, si verifica nelle zone anaerobiche degli impianti in cui è prevista la rimozione biologica del fosforo in eccesso (sistemi EPBR). Negli impianti convenzionali completamente areati che operano a basso carico, la fermentazione è indesiderabile. Negli impianti tipo plug-flow oppure in impianti con una zona di premiscelazione si possono verificare condizioni anaerobiche nel nucleo dei fiocchi di fango a causa della iniziale velocità di rimozione dell’ossigeno dopo il

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contatto del fango di ricircolo con il refluo fresco e della resistenza diffusionale nel trasporto dell’ossigeno (nitrati) all’interno del fiocco.

3.3.3. Batteri Denitrificanti

La capacità di utilizzare i nitrati come accettori finali di elettroni è molto diffusa tra i microrganismi dei fanghi attivi. Almeno quaranta specie di microrganismi possono denitrificare. I generi Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella e Pseudomonas includono tipici batteri organotrofi denitrificanti normalmente in un sistema a fanghi attivi (Tandoi et al., 2006).

3.3.4. Batteri Nitrificanti

In ambiente acquatico i seguenti generi sono considerati nitrificanti:

- Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira e Nitrosocystis per l’ossidazione dello ione ammonio;

- Nitrobacter, Nitrospina e Nitrococcus per l’ossidazione finale dei nitriti in nitrati. Nel processo a fanghi attivi i batteri chemolitotrofi Nitrosomonas e Nitrobacter sono considerati i principali nitrificanti. La nitrificazione eterotrofa si può attribuire principalmente ai micromiceti che non sono importanti negli impianti a fanghi attivi.

3.3.5. Microrganismi fosforo accumulanti

La capacita di rimuovere fosfati dalle acque reflue e generalmente attribuita alle specie Acinetobacter (Bond et al., 1999) che può accumulare polifosfati sottoforma di granuli. Altri microrganismi che contribuiscono alla rimozione del fosforo appartengono ai generi Acromonas, Arthrobacter, Klebsiella, Moraxella e Pseudomonas.

3.3.6. Microrganismi solfo-ossidatori

Nei sistemi a fanghi attivi la maggior parte dei composti dello zolfo vengono ossidati da batteri chemolitotrofi , soprattutto dal genere Thiobacillus (Fox &Venkatasubbiah, 1996) . Si possono considerare solfo-ossidatori anche Thiobacillus, il filamentoso Beggiatoa, Thioloca e specialmente Thiothrix.

43 3.3.7. Batteri Solfo-riduttori

I batteri solforiduttori più rappresentativi nel fango attivo sono il Desulfovibrio e il Desulfobacter, che differiscono per il metabolismo dei composti organici. Nella letteratura microbiologica i batteri solforiduttori vengono descritti come strettamente anaerobi, ma questo viene in parte contraddetto dalla loro presenza nei sistemi a fanghi attivi dove esiste l’alternanza di zone aerobiche, anaerobiche e anossiche. Questa contraddizione è spiegabile con l’esistenza all’interno dei fiocchi di fango di un nucleo anaerobico che garantisce la sopravvivenza dei batteri solfo riduttori (Schramm et al., 1999).

3.4. I Protozoi

Con il termine Protozoi si indicano degli organismi eucariotici unicellulari che, sulla base a sistematica classica, sono divisi in 4 gruppi principali: Flagellati, Sarcodini, Sporozoi, Ciliati (Ricci, 1989). I protozoi, essendo organismi unicellulari, sono generalmente di piccole dimensioni, e la taglia tra 10 e 100 µm può essere considerata una delle dimensioni che di solito si osserva più comunemente. In molti flagellati e nei ciliati il corpo è rivestito da una cuticola resistente, che costituisce la membrana cellulare. Inoltre vi sono degli organelli (organiti) di movimento che sono i flagelli nel caso dei flagellati e le ciglia nel caso dei ciliati. Queste ciglia possono essere presenti durante tutta la vita o sparire nell'adulto (Acineti). I flagelli sono lunghi e mobili prolungamenti protoplasmatici con movimenti paragonabili a quelli di una frusta quando viene agitata; di regola sono uno o pochi sul corpo di ciascun flagellato. Le ciglia sono invece delle corte appendici protoplasmatiche che sporgono come sottili setole sul corpo dei ciliati e che si muovono come tanti piccoli remi. Alcuni protozoi come i sarcodini, presentano il corpo nudo che può emettere e retrarre degli speciali prolungamenti citoplasmatici che servono alla locomozione e che prendono il nome di pseudopodi. I protozoi di regola si riproducono agamicamente per scissione; tuttavia esistono per molti protozoi, soprattutto per i ciliati, fenomeni sessuali. Sono organismi la cui cellula è dotata di uno o più nuclei; tuttavia, mentre nei flagellati e nei sarcodini i nuclei sono di un solo tipo, nei ciliati si osservano macronuclei e micronuclei. I macronuclei hanno notevole importanza nei processi metabolici, mentre i micronuclei sono in rapporto alla riproduzione. La maggior parte dei protozoi svolge attività eterotrofica, predando altri organismi o alimentandosi di sostanze organiche disciolte o particellate; tuttavia, vi sono diversi flagellati (fitoflagellati) nel cui citoplasma si trovano numerosi plastidi che consentono loro di svolgere attività autotrofica. I protozoi eterotrofici si nutrono per osmosi (molti flagellati), per mezzo

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di pseudopodi (amebe) o per mezzo di una apertura nella membrana cellulare (ciliati) che consente loro di catturare altri organismi.

3.4.1. I ciliati

I ciliati sono un gruppo di protozoi microconsumatori che colonizzano la maggior parte degli ambienti acquatici e terrestri. Le loro dimensioni, relativamente grandi rispetto agli altri protozoi (mediamente 20-200µm), i loro veloci movimenti, e la loro varietà di forme, li rendono particolarmente evidenti all'osservazione microscopica. Le ciglia di cui sono dotati, sono strutturalmente identiche ai flagelli, ma sono più corte in rapporto alla lunghezza della cellula. Le ciglia possono essere arrangiate in gruppi (cirri) come nei ciliati Ipotrichi, e in tal caso, questi aggregati diventano essenziali per la locomozione. Nei ciliati, generalmente, si distinguono le ciglia disposte lungo il corpo (ciliatura somatica) da quelle situate intorno la bocca (ciliatura orale) che sono usate per la cattura del cibo. I principali gruppi di ciliati (Tab. 3.2) (Oligohymenophora e Polyhymenophora) utilizzano la ciliatura orale per filtrare l'acqua circostante e trattenerne le particelle sospese (soprattutto batteri dispersi). Per poter fare questo, gli Oligohymenophora hanno 3 membranelle intorno alla bocca (non ben distinguibili all'osservazione microscopica), mentre i Polyhymenophora hanno la ciliatura orale formata da una serie di membrane (zona adorale di membranelle: AZM) che si estende dalla parte anteriore della cellula sino al punto di ingestione del cibo (citostoma). Il gruppo dei Kinetofragminophora, raccoglie, invece, i ciliati in cui la ciliatura somatica e quella orale non sono ben distinguibili. Alcune specie di questo gruppo sono in grado di ingerire grosse particelle di cibo (alghe, filamenti), e vi sono anche molte altre specie predatrici di altri ciliati o di piccoli metazoi. La bocca nei ciliati è assai variabile da gruppo a gruppo sia per quanto riguarda forma e dimensione che la sua collocazione. La bocca dei ciliati che si nutrono di alghe o detrito è generalmente dotata di un tubo di rigidi stecche (nematodesmi) che consente loro di introdurre il cibo dentro la cellula. Alcuni ciliati come i Suttori, non hanno un citostoma vero e proprio. Essi sono dotati però di una serie di lunghi e rigidi tentacoli provvisti di ventosa terminale con cui catturano altri ciliati. Questi ciliati, inoltre, sono prevalentemente sessili e non hanno ciliatura visibile tranne che durante lo stadio mobile 'larvale' in cui la ciliatura è presente per consentire la locomozione (Lynn, 2008).

I ciliati batteriofagi dei fanghi attivi possono essere suddivisi in tre gruppi funzionali sulla base del loro comportamento (Madoni, 2003):

- natanti: nuotano nella frazione liquida e rimangono in sospensione nella vasca

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- mobili: abitano la superficie del fiocco di fango;

- sessili: sono stabilmente fissati, mediante un peduncolo, al fiocco di fango e

quindi precipitano con esso durante la sedimentazione.

Il processo a fanghi attivi si basa sulla formazione di aggregati batterici (fiocchi di fango) su cui altri microrganismi possono svilupparsi. Perciò una popolazione di organismi con la capacità di attaccarsi (o di rimanere strettamente associata) al fango ha un distinto vantaggio su altre popolazioni di organismi che nuotano liberamente nella frazione liquida e che sono quindi soggetti ad essere dilavati fuori dal sistema attraverso l'effluente. Altra importante caratteristica dei ciliati nei fanghi attivi è il loro comportamento alimentare. Mentre ciliati natanti e sessili entrano in competizione per i batteri dispersi nella frazione liquida, i mobili, che sono in stretta prossimità della superficie del fiocco di fango occupano una differente nicchia ecologica nutrendosi di particelle che sono solo lievemente adagiate sul fiocco e che vengono asportate facilmente attraverso le correnti ciliari.

3.4.2. Ciliati mobili di fondo

I ciliati mobili di fondo (Fig. 3.3) normalmente dominano la microfauna del fango attivo maturo (Madoni, 2003). I mobili diminuiscono la loro presenza all'aumentare del carico organico, tanto che oltre i 0,6 kgBOD5 kgMLSS -1 _{per giorno, molte specie di questo gruppo} scompaiono (Curds & Cockburn, 1970; Klimowicz, 1970). I ciliati mobili risultano essere inversamente correlati anche allo SVI. Alte densità di questi ciliati (>2.000 cell.1-1) sono spesso associate a valori di SVI minori di 200; in occasione di valori di SVI più alti di 400, i mobili riducono drasticamente la loro presenza (Pagnotta & Tommasi, 1979).

3.4.3. Ciliati sessili

I ciliati peritrichi (Fig. 3.4) sono normalmente codominanti nei fanghi attivi insieme ai ciliati mobili. Tuttavia, in occasione di condizioni transitorie dello impianto che riducono l'efficienza depurativa, questi ciliati possono incrementare repentinamente la loro densità numerica e costituire oltre l' 80% dell'intera microfauna (Drakides, 1978; Madoni, 1981). Tali condizioni transitorie sono 1) il rapido aumento del carico del fango dovuto a perdite o ad estrazioni di fango e 2) il carico organico immesso in modo molto discontinuo. Curds & Cockburn (1970) hanno trovato che i ciliati sessili sono in grado di svilupparsi entro un largo spettro di valori di carico del fango; tuttavia a valori compresi tra 0,3 e 0,6 kgBOD kgMLSS-1 per giorno, questi ciliati spesso dominano la microfauna e in occasione di carichi del fango di 0,6-0,9 essi co-dominano insieme ai piccoli flagellati. Altra evidenza è stata segnalata da

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Bedogni et al. (1991) i quali suggeriscono che il rapporto di abbondanza tra ciliati mobili e sessili è associato alla efficienza dell'impianto. La migliore qualità dello effluente finale era infatti ottenuta in occasione di valori del rapporto ciliati mobili/sessili superiore a 0,5. Tra i ciliati sessili vi sono alcune specie come Vorticella microstoma e Opercularia spp., che possono sopravvivere e crescere in fanghi attivi sottoposti a condizioni ambientali critiche (carenza di aerazione, immissione di sostanze tossiche, ecc.) (Madoni, 1994b; Dubber & Gray, 2011).

3.4.4. Ciliati natanti

I ciliati batteriofagi natanti (Fig. 3.5) sono normalmente molto abbondanti nel liquame e colonizzano la vasca di aerazione durante la fase iniziale di messa in funzione dell'impianto, quando i batteri fiocco formatori sono ancora scarsamente presenti e, conseguentemente, i ciliati sessili sono ancora assenti. Tuttavia, essi sono presto sostituiti dalle forme sessili con le quali entrano in competizione per la predazione dei batteri dispersi nella fase liquida. I ciliati sessili, infatti, sono dei filtratori molto più efficienti dei ciliati natanti nel convogliare i batteri dispersi nella regione orale per mezzo delle correnti ciliari. Curds (1971), simulando la dinamica delle popolazioni microbiche mediante un modello matematico, ha concluso che un impianto a fanghi attivi produce un effluente di alta qualità quando il fango è dominato dalle forme sessili e mobili; quando dominano i ciliati natanti, tuttavia, la qualità dell'effluente è scarsa, e diventa pessima quando i ciliati sono del tutto assenti. Piccoli ciliati natanti (come Colpidium, Cyclidium, Tetrahymena, e Uronema) talvolta dominano la microfauna di impianti che operano ad età del fango troppo breve oppure ad alti carichi del fango in carenza di ossigenazione. Questi ciliati batteriofagi richiedono alte concentrazioni di batteri dispersi per sopravvivere ma resistono meglio di altri componenti della microfauna agli affluenti tossici ed alla carenza di ossigenazione. I piccoli ciliati natanti si osservano sempre insieme ai piccoli flagellati e talvolta questi due gruppi dominano la microfauna. Curds & Cockburn (1970) trovarono che i ciliati natanti dominavano ad alti valori del carico del fango (0,6-0,9 kgBOD5 kg MLSS-1 per giorno).

3.4.5. Amebe con teca

Nei fanghi attivi le amebe con teca (Fig. 3.6) sono presenti normalmente con tre generi: Arcella, Centropyxix e Euglypha. Questi protozoi colonizzano il fango di impianti funzionanti a basso carico del fango, in particolare essi caratterizzano normalmente il fango delle vasche di aerazione di impianti che operano la rimozione dell'azoto (Poole, 1984). Le amebe con teca

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sono molto abbondanti o dominanti nei fanghi caratterizzati da basso carico del fango, lunga età del fango e alta concentrazione di ossigeno disciolto in vasca di aerazione, condizioni che permettono di ottenere una completa nitrificazione (Drakides, 1978; Zhou et al., 2008). Al verificarsi di tali condizioni, la qualità dell'effluente è eccellente e la efficienza biologica dell'impianto raggiunge i massimi valori. Sasahara & Ogawa (1983) hanno osservato che Euglypha e Difflugia erano sempre molto abbondanti in impianti per il trattamento di reflui da birrerie in occasione di basso carico del fango e buona qualità dell'effluente. In occasione di alto carico del fango (> 1 kgBOD5 kgMLSS-1 per giorno) e alti valori di COD nell'effluente, queste specie erano sostituite dal ciliato sessile Opercularia e da ciliati natanti. Madoni et al. (1993) hanno potuto dimostrare l'esistenza di alti coefficienti di correlazione tra presenza e abbondanza di amebe con teca e alcuni parametri gestionali, ivi compresi quelli caratterizzanti la nitrificazione. Queste specie infatti erano associate a bassi valori di ammoniaca, alte concentrazioni di ossigeno disciolto, basso carico del fango e modesti valori di SVI.

3.4.6. Flagellati

I piccoli flagellati eterotrofici come Bodo, Polytoma, e Tetramitus, normalmente dominano la microfauna durante la fase di avvio dell'impianto quando i batteri fiocco formatori sono ancora scarsamente presenti. Essi si nutrono di batteri dispersi e, nel tempo, sono sostituiti dai ciliati batteriofagi. Al contrario, la massiccia presenza di questi protozoi in un fango maturo, è associata ad una cattiva efficienza biologica dello impianto, dovuta a: (a) fango poco aerato, (b) carico troppo alto, (c) ingresso di sostanze in fermentazione (Drakides, 1978; Madoni, 1986). I flagellati risultano essere i protozoi dominanti (Aescht & Foissner, 1992) o i soli presenti (Curds & Cockburn, 1970) nei fanghi fortemente caricati (>0,9 kgBOD5 kgMLSS-1 per giorno). I piccoli flagellati entrano continuamente nell'impianto attraverso il liquame in cui essi si trovano in elevate quantità. Normalmente nei fanghi attivi questi protozoi subiscono la competizione da parte dei ciliati batteriofagi, inoltre sono fortemente sottoposti a predazione da parte di altri ciliati; così la loro presenza nei fanghi attivi è limitata a pochi individui (<10 ind. contati lungo la diagonale nella camera di Fuchs-Rosenthal). In caso di disfunzioni dell'impianto, il loro numero può aumentare (>10 ind. contati) e, di conseguenza, ciò indica un abbassamento di efficienza depurativa. La dominanza di flagellati diventa evidente quando essi raggiungono la densità di oltre 100 individui lungo la diagonale della camera di Fuchs-Rosenthal. In quest'ultimo caso essi devono essere considerati come il gruppo dominante della microfauna. I flagellati di taglia più larga come Euglena e Peranema, si osservano con minor frequenza nei fanghi attivi dove essi raggiungono difficilmente,

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inoltre, alte densità di popolazione. La loro presenza è associata a liquami caratterizzati da sostanza organica molto diluita (Madoni, 2003).